DE3731009A1 - Verfahren und vorrichtung zur fluessigphasenepitaxie - Google Patents

Description

Vielfach werden in der modernen Elektronik für Anzeigen­ zwecke Leuchtdioden benötigt, die meist aus einem Ele­ ment der dritten Gruppe des Periodensystems wie Al, Ga, In und meist aus einem Element der fünften Gruppe des Periodensystems wie P, As, Sb zusammengesetzt sind. Die aus dem Lumineszenzmaterial herauskommende Strahlung liegt je nach Dotierung und Zusammensetzung im sichtba­ ren wie auch im infraroten Bereich. Technologisch be­ herrscht werden Verbindungen wie GaP, GaAs und GaAlAs, deren p-n-Übergänge vielfach mittels Flüssigphasenepi­ taxie hergestellt werden. Der für den Aufbau von Lumines­ zenzdioden erforderliche p-n-Übergang wird z. B. bei GaAs dadurch hergestellt, daß auf GaAs-Substrate bei erhöhter Temperatur eine Schmelze aus Ga und z. B. dem Dotierstoff Si aufgebracht wird, die das GaAs teilweise auflöst und bei Verwendung tieferer Temperaturen das dotierte GaAs wieder abscheiden läßt. Der Dotierstoff Silizium wird dann bei den erhöhten Temperaturen auf Gallium-Gitterplätzen eingebaut, was n-Leitung verur­ sacht, während er bei den niedrigeren Temperaturen durch den amphoteren Charakter des Siliziums auf Arsen-Gitter­ plätzen sich einbaut, was eine p-leitende Epitaxie­ schicht zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Flüssigphasenepitaxie anzugeben, welches mit einfachen Vorrichtungen die epitaktische Abscheidung von Schichten mittels der Flüssigphasenepitaxie ermöglicht. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Flüssigpha­ senepitaxie durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Flüssigphasen­ epitaxie nach der Erfindung. Bei der Vorrichtung der Fig. 1 liegt auf einer unteren Platte 1 eine obere dickere Platte 2, welche durch einen Distanzring 3 in einem bestimmten Abstand zur Platte 1 gehalten wird. Die Platten 1 und 2 bestehen beispielsweise aus Graphit. Auf der unteren Platte 1 befindet sich, von dem z. B. aus Graphit bestehenden Distanzring 3 umgeben, eine Substrat­ scheibe 4. In der oberen Platte 2 ist die Schmelze 5 in einer Ausnehmung angeordnet, die über einen Verschluß, bestehend aus dem Halter 7 und der Ventilstange 8, durch eine Bohrung 10 mit dem Raum über der Substratscheibe 4 verbunden ist. Außerdem befinden sich seitlich von der Schmelze 5 zwei oder mehrere Hohlräume oder eine kreis­ förmige Ausnehmung 11 in der oberen Platte 2, die mit einer Substanz 6 wie Flüssigkeit oder festem Körper oder Gas gefüllt sind (ist). Auf dieser Substanz 6 (z. B. Flüssigkeit) liegt ein Halter 7 auf, an dem eine ein­ stellbare Ventilstange 8 mit der Ventilstangenfeststell­ schraube 9 befestigt ist, die mit ihrem unteren Ende mehr oder weniger tief in die Bohrung 10 hineinragt, die den Schmelzraum mit dem über dem Substrat 4 liegenden Raum 12 verbindet. Bei entsprechender Wärmezuführung dehnt sich die Flüssigkeit oder der Festkörper oder das Gas in den durch den Halter 7 geschlossenen Zylindern oder der geschlossenen Ausnehmung 11 aus, was eine Ver­ schiebung des Halters 7 nach oben bewirkt. Bei entspre­ chender Stellung des Halters 7 gibt die daran befestig­ te, in der Höhe verstellbare Ventilstange 8 den Weg der Schmelze 5 zu dem Substrat 4 frei. Die mehr oder minder große einstellbare Länge der Ventilstange mittels der Ventilstangenfeststellschraube 9 bestimmt dabei bei ei­ ner Temperaturerhöhung den Einlaufzeitpunkt der Schmel­ ze 5 auf das Substrat 4. Dieser Vorgang erfolgt, wie oben beschrieben, ohne irgendwelche, von außen betätig­ te mechanische Hilfsmittel. Selbstverständlich kann die beschriebene Vorrichtung auch mehrfach über-, neben­ oder hintereinander angeordnet werden, so daß viele Sub­ stratscheiben gleichzeitig epitaxiert werden können.

Im folgenden wird ein Epitaxieverfahren beschrieben, bei dem mittels der Vorrichtung der Fig. 1 Substratscheiben aus Galliumarsenid mit einer Gallium-Schmelze, dotiert mit Si, in Kontakt gebracht werden. Auf der unteren Graphitplatte 1 ist ein Galliumarsenidsubstrat 4 inner­ halb eines Graphitringes 3 angebracht, der einen gerin­ gen Abstand der Platte 1 zu der oberen Platte 2 ein­ stellt und ein Auslaufen der Schmelze verhindert. In die Füllräume des Zylinders 6 der Platte 2 wird z. B. Ga eingefüllt, der Halter 7 aufgesetzt und die an dem Hal­ ter 7 mit der Ventilstangenfeststellschraube befestigte Ventilstange längenmäßig so eingestellt, daß die Ver­ schlußvorrichtung bei Einfüllen der Schmelze 5 geschlos­ sen ist. In die Platte 2 wird anschließend durch eine Öffnung im Halter 7 die Schmelze 5, bestehend aus z. B. Ga, dem Dotierstoff Silizium und je nach Auflösung des Substrats auch eventuell Galliumarsenid, eingefüllt. Dann wird diese Anordnung in einen Epitaxieofen gebracht, der mit Stickstoff oder mit Wasserstoff, durch eine Palladiumzelle gereinigt, während des Epitaxievorgangs gespült wird. Der Ofen wird auf ca. 600°C aufgeheizt und die Schmelze bei dieser Temperatur ausgeheizt und vermischt. Danach wird die Temperatur auf eine günstige Einlauftemperatur wie z. B. 750°C gebracht, bei der die Schmelze auf das Substrat läuft. Bei dieser Temperatur wird der Halter 7 durch das sich ausdehnende Gallium in den Zylindern 6 so weit hochgedrückt, daß die dadurch entstehende Kraft über den Halter 7 auf die daran be­ festigte Ventilstange übertragen wird, die sich anhebt und die vorher verschlossene Bohrung 10 zum Einlaufen der Schmelze auf das Substrat freigibt. Anschließend wird die Temperatur je nach gewünschter Dicke der Epi­ taxieschicht und der Anlösung auf z. B. 900°C erhöht und danach wieder kontinuierlich abgesenkt, wobei die gewollte Galliumarsenid-Epitaxieschicht mit der gewünsch­ ten Si-Dotierung zur Bildung eines p-n-Überganges auf dem Substrat 4 aufwächst.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere Vorrichtung zur Flüssig­ phasenepitaxie gemäß der Erfindung, bei der der Schmelz­ raum mit der Schmelze 5 durch einen Deckel 13, z. B. mittels Schrauben 14, geschlossen wird. Die Vorrichtung der Fig. 2 weist ebenfalls die vorteilhaften Eigenschaf­ ten der Vorrichtung der Fig. 1 auf. Die Verbindung des Schmelzraumes 15 mit dem Substratraum 12 wird durch ein in der Schmelze 5 nicht lösliches Verschlußteil 16 ver­ schlossen. Das Verschlußteil 16, welches beispielsweise aus einer Graphitplatte besteht, wird mittels eines Hal­ ters 17 in seiner Lage fixiert.

Die Freigabe der Austrittsöffnung 10 wird bei der Vor­ richtung der Fig. 2 dadurch bewirkt, daß die Graphit­ platte 16 durch Ausdehnung der Schmelze bei einer erhöh­ ten Temperatur infolge eines Überdruckes gebrochen wird. Dabei kann die Schmelze 5 durch die freigegebene Öffnung 10 zum Substratraum 12 und damit auch zum Substrat 4 gelangen. Maßgebend für das Brechen der Platte 6 ist die Ausdehnung des Schmelzmaterials 5 bei einer be­ stimmten Temperatur, die Ausdehnung des Materials des Plättchens 6 (z. B. Graphit), die Dicke des Plättchens 6 und das Volumen des nicht mit Schmelze erfüllten Raumes über der Schmelze 5.

Im folgenden wird ein Epitaxieprozeß zur Abscheidung von GaAs mit Si-Dotierung unter Verwendung der in der Fi­ gur 2 gezeigten Vorrichtung beschrieben. Das Substrat 4, bestehend aus Galliumarsenid, wird an der Platte 1 ange­ bracht. Ein Schmelzenaufnahmekörper 2, der in der Praxis plattenförmig ausgebildet ist, wird durch einen Distanz­ ring 3 in einem bestimmten Abstand parallel zur Platte 1 gehalten. In eine Ausnehmung in der oberen Platte 2 wird die Schmelze 5 eingefüllt. Der Schmelzraum 15 ist über eine Bohrung 10, die durch eine in einem Halter 17 ange­ ordnete Graphitplatte zunächst abgedeckt wird, mit dem Substratraum 12 verbunden. Die Vorrichtung der Fig. 2 wird in einen mit einem geeigneten Schutzgas wie Wasser­ stoff gespülten Epitaxieofen gebracht, dessen Temperatur dann auf ca. 600°C zum Ausheizen und Durchmischen der Schmelze erhöht wird. Die Temperatur im Epitaxieofen wird anschließend auf 750°C, der Einlauftemperatur der Schmelze, erhöht, wobei der Flüssigkeitsdruck der Schmel­ ze durch Ausdehnung der Schmelze so groß wird, daß das Graphitplättchen 6 bricht und den Weg der Schmelze zu der Substratscheibe 4 freigibt. Die Vorrichtung der Fig. 2 hat den Vorteil, daß Materialien als Plättchen­ material verwendet werden können, die sich nicht in der Schmelze aufzulösen brauchen und daher keine Zugaben oder Beimengungen stattfinden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Flüssigphasenepitaxie, bei dem eine Schmelze, die sich in einem mit einer verschließbaren Austrittsöffnung versehenen Behälter befindet, mit einem Substrat in Berührung gebracht und dadurch eine epitak­ tische Schicht auf dem Substrat hergestellt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Verschlußteil für die Aus­ trittsöffnung mittels einer durch Wärmeeinwirkung aus­ dehnbaren flüssigen, gasförmigen oder festen Substanz oder bei entsprechender Wärmeeinwirkung durch Ausdehnung der Schmelze betätigt und durch die damit verbundene Freigabe der Austrittsöffnung das Einfließen der Schmel­ ze auf das Substrat ermöglicht wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter für die Schmelze vorgesehen ist, der eine Austrittsöffnung für die Schmelze aufweist, die durch ein Verschlußteil verschließbar ist, und daß dieses Verschlußteil mit einer Hebevorrichtung verbunden ist, die durch eine bei Wärmeeinwirkung sich ausdehnende Substanz derart ver­ schiebbar ist, daß durch das Verschieben das mit der Hebevorrichtung verbundene Verschlußteil die Austritts­ öffnung für die Schmelze freigibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundplatte für die Aufnahme des Substrats vor­ gesehen ist, daß über dieser Grundplatte im Abstand von ihr ein plattenförmiger Körper vorgesehen ist, der eine Ausnehmung für die Aufnahme der Schmelze sowie eine Aus­ trittsöffnung für die Schmelze aufweist, daß der platten­ förmige Körper eine oder mehrere Ausnehmungen für die dehnbare Substanz aufweist und daß ein Hebeteil vorge­ sehen ist, welches in die Ausnehmung(en) für die dehn­ bare Substanz eingreift, beim Ausdehnen dieser Substanz gehoben wird und durch das Heben ein mit ihm verbundenes Verschlußteil aus der Austrittsöffnung für die Schmelze schiebt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diametral zueinander liegende Ausnehmungen für die dehnbare Substanz vorgesehen sind und daß die Hebevorrichtung in den Ausnehmungen gelagert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebevorrichtung bei Vorhandensein von zwei Aus­ nehmungen für die dehnbare Substanz einen U-förmigen Querschnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nur eine Ausnehmung für die dehnbare Sub­ stanz vorgesehen ist, daß diese Ausnehmung konzentrisch um die Ausnehmung für die Schmelze angeordnet ist und daß die Hebevorrichtung topfförmig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter für die Schmelze vorgesehen ist, der eine Austrittsöffnung für die Schmelze aufweist, welche mit einem Verschluß­ teil versehen ist, und daß das Verschlußteil derart aus­ gebildet ist, daß es bei entsprechender Ausdehnung der Schmelze infolge Wärmeeinwirkung durch Druckeinwirkung bricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil für die Austrittsöffnung platten­ förmig ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verschlußteil aus Graphit besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil in einer Halterung fixiert ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Behälter für die Schmelze durch einen Deckel verschließbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Behälterdeckel mittels Schrauben verschließ­ bar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß der Behälter für die Schmelze aus einem plattenförmigen Körper besteht, der eine Aus­ nehmung für die Schmelze sowie eine Auftrittsöffnung aufweist, und daß eine Auflagefläche für das über der Austrittsöffnung befindliche Verschlußteil vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Auflagefläche für die Halterung zum Fixieren des Verschlußteils vorgesehen ist.